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概述
該筆記中，我們對(duì)MAX2640低噪聲放大器(LNA)進(jìn)行了S參數(shù)測(cè)量，并利用所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。當(dāng)我們將該低噪聲放大器(LNA)匹配到315MHz工作時(shí)，所測(cè)量的S參數(shù)是正確的。分析結(jié)果表明，該器件在高達(dá)5GHz時(shí)能夠無(wú)條件地達(dá)到穩(wěn)定。最后，我們將推薦VCC引線所需電感，使器件穩(wěn)定性達(dá)到最佳。
MAX2640低噪聲放大器(LNA)工作在315MHz時(shí)的性能
該器件在315MHz的工作性能如表1所示。頻率特性曲線如圖1所示。表1. MAX2640性能概述
| Parameter | Customer Target | MAX2640 |
| ICC (mA) | < 2 | 3.5 |
| Gain (dB) | > 13 | 17.4 |
| Noise Figure (dB) | < 2 | 1.4 |
| Input P1dB (dBm) | Not specified | -26 |
| Input IP3 (dBm) | -10 | -17.25 |
| S11 (dB) | Not specified | -10.5 |
| S22 (dB) | Not specified | -19.3 |
(f = 315MHz, VCC = 3V)
注：輸入功率為每音調(diào)-30dBm
圖1. MAX2640 LNA應(yīng)用于315MHz時(shí)的頻率特性
S參數(shù)測(cè)量
測(cè)試環(huán)境的建立對(duì)MAX2640進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量時(shí)使用了兩套評(píng)估板和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀(HP8753D)。將第一套評(píng)估板(kit #1)的IC去掉用于校準(zhǔn)，利用第二套評(píng)估板(kit #2)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，該套評(píng)估板保留了IC，但無(wú)匹配元件。
- 對(duì)雙口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了完整的校準(zhǔn)操作，校準(zhǔn)范圍包括與網(wǎng)絡(luò)分析儀相連接的電纜。
- 當(dāng)我們測(cè)量第二套評(píng)估板(kit #2)上不帶匹配元件時(shí)IC的S參數(shù)時(shí)，將短接線放置到了第一套評(píng)估板(kit #1)上MAX2640輸入和輸出引腳的焊接位置。(參見圖2)
- 調(diào)整網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口延時(shí)，使315MHz時(shí)輸入端和輸出端的阻抗都盡可能接近于短路狀態(tài)。此時(shí)，我們就可以利用該校準(zhǔn)在第二套評(píng)估板(kit #2)上的MAX2640器件引腳處進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量。
- 然后修改第一套評(píng)估板(kit #1)，將上面的短接線移置到上次匹配元件的放置點(diǎn)。再一次調(diào)整網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口延時(shí)，使315MHz時(shí)輸入端和輸出端的阻抗都盡可能接近短路狀態(tài)。
- 接著將匹配元件放回到第二套評(píng)估板(kit #2)上，對(duì)評(píng)估板上帶有匹配元件的IC進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量。
- 為了證實(shí)僅測(cè)試IC時(shí)(上述步驟3) S參數(shù)的正確性，將所測(cè)得的S參數(shù)導(dǎo)入ADS (微波仿真軟件)，并在所建模型中加入匹配元件和傳輸線。同時(shí)為了模擬板上存在的寄生效應(yīng)，在模型的輸入引腳和輸出引腳加一只0.5pF電容。(見附錄中圖18的ADS仿真圖。)然后將所建立模型的仿真性能曲線與評(píng)估板上帶有匹配元件時(shí)所測(cè)得的IC S參數(shù)(上述步驟5)進(jìn)行比較。
圖2. 用于MAX2640的S參數(shù)測(cè)量的校準(zhǔn)電路
測(cè)試結(jié)果
圖3至圖8曲線標(biāo)注定義如下：
- MAX2640_Epcos_1GHz_simulation：只對(duì)工作臺(tái)上不帶匹配元件的IC進(jìn)行了測(cè)量，利用所測(cè)得的S參數(shù)進(jìn)行仿真，并在ADS的仿真模型中加入了匹配元件。
- MAX2640_Epcos_1GHz_bench：在評(píng)估板上加入了匹配元件后再對(duì)IC進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量。
圖3. 仿真和性能測(cè)試S11 (dB)的比較
圖4. 仿真和性能測(cè)試S11 (相位)的比較
圖5. 仿真和性能測(cè)試S22 (dB)的比較
圖6. 仿真和性能測(cè)試S22 (相位)的比較
圖7. 仿真和性能測(cè)試S21 (dB)的比較
圖8. 仿真和性能測(cè)試S21 (相位)的比較
上述數(shù)據(jù)表明所進(jìn)行的兩個(gè)測(cè)試中，幅值和相位性能都非常接近。除去微小的頻率偏移，仿真結(jié)果(利用不帶匹配元件的IC的測(cè)試S參數(shù)建立模型，并在ADS模型中加入匹配元件后對(duì)模擬工作臺(tái)進(jìn)行仿真測(cè)量)非常接近于實(shí)際性能測(cè)試(在評(píng)估板上加入匹配元件后，對(duì)實(shí)際性能進(jìn)行測(cè)試)。所以可以得到這樣的結(jié)論：對(duì)MAX2640進(jìn)行測(cè)量所得的S參數(shù)是可靠的，可用于仿真和穩(wěn)定性分析。
注：評(píng)估板上加入匹配元件后進(jìn)行測(cè)試時(shí)，不能測(cè)試參數(shù)S12。因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)的幅值很低，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分析儀不能精確測(cè)量。所以上面的圖表中沒有S12的幅值和相位曲線。
穩(wěn)定性分析
為了進(jìn)行MAX2640的穩(wěn)定性分析，我們按照上述同樣的步驟對(duì)100MHz到5GHz之間的S參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。包括如下三個(gè)測(cè)試實(shí)例：第一，MAX2640的VCC引腳和去耦電容之間存在9mm長(zhǎng)的傳輸線；第二，電容盡可能的靠近VCC引腳放置；第三，電容放置在相距VCC引腳5mm處。第一個(gè)測(cè)試實(shí)例
我們將去耦電容放置在了距離MAX2640的VCC引腳9mm遠(yuǎn)處。傳輸線寬度是42mil。這是一個(gè)具有50受控阻抗的四層電路板，介質(zhì)材料是FR4，1oz覆銅，介電常數(shù)約為4.5。頂層和內(nèi)部地層(第二層)之間的介質(zhì)厚度是24mil。利用這些信息可以仿真得到VCC引腳處的電感值，在315MHz時(shí)仿真結(jié)果大約為j5.5，相當(dāng)于2.5nH電感。圖9顯示了只針對(duì)IC進(jìn)行的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)。圖10是源端穩(wěn)定性圓圖和負(fù)載端穩(wěn)定性圓圖。
圖9. 第一個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)
圖10. 第一個(gè)測(cè)試實(shí)例的源端穩(wěn)定性圓圖和負(fù)載端穩(wěn)定性圓圖
第二個(gè)測(cè)試實(shí)例
在該實(shí)例中，電容盡可能靠近VCC引腳放置。此時(shí)，傳輸線的寬度是40mil，315MHz時(shí)感應(yīng)系數(shù)值大約為j0.6，相當(dāng)于0.3nH電感。下圖11顯示了穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)。圖12表示的是源端穩(wěn)定性圓圖和負(fù)載端穩(wěn)定性圓圖。
圖11. 第二個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)
圖12. 第二個(gè)測(cè)試實(shí)例的源端穩(wěn)定性圓圖和負(fù)載端穩(wěn)定性圓圖
第三個(gè)測(cè)試實(shí)例
現(xiàn)在我們將去耦電容放置在相距MAX2640的VCC引腳5mm遠(yuǎn)處。傳輸線寬度是42mil，315MHz時(shí)大約為j3，相當(dāng)于1.5nH電感。圖13顯示了只針對(duì)IC進(jìn)行的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)。
圖13. 第三個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性測(cè)試、穩(wěn)定系數(shù)、源端穩(wěn)定系數(shù)和負(fù)載端穩(wěn)定系數(shù)
由圖13可知，在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)，三個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性系數(shù)均大于1。符合無(wú)條件穩(wěn)定要求。而且，穩(wěn)定性圓圖在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)也都在史密斯圓圖的外部。
第一個(gè)測(cè)試實(shí)例的數(shù)據(jù)表明，在2.5GHz到4.5GHz的頻率范圍內(nèi)，穩(wěn)定性系數(shù)絕對(duì)大于1，但是在5GHz時(shí)接近于1。這表明MAX2640在5GHz以上時(shí)是有條件地穩(wěn)定的。但是第二個(gè)測(cè)試實(shí)例的穩(wěn)定性系數(shù)卻是在2.5GHz到4.5GHz的頻率范圍內(nèi)接近于1，而在5GHz時(shí)絕對(duì)大于1。這意味著該測(cè)試條件下的MAX2640器件在2.5GHz到4.5GHz的頻率范圍內(nèi)是有條件穩(wěn)定的。在第三個(gè)測(cè)試實(shí)例中，我們將電容放置在了與VCC引腳相距5mm遠(yuǎn)處。所測(cè)得的穩(wěn)定性系數(shù)在2.5GHz到4.5GHz的頻率范圍內(nèi)絕對(duì)大于1，在5GHz時(shí)也比1大很多。
通過(guò)以上分析，我們可以得出結(jié)論：為了保證器件的穩(wěn)定性，去耦電容的最佳放置位置是距VCC引腳4mm到5mm處。
原理圖和匹配網(wǎng)絡(luò)
綜上所述，我們使用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀(HP8753D)對(duì)315MHz時(shí)MAX2640低噪聲放大器(LNA)的輸入/輸出端進(jìn)行了S參數(shù)測(cè)量，并通過(guò)反復(fù)的仿真和測(cè)量確定了最佳阻抗匹配電路。該器件在315MHz時(shí)的性能和所需匹配適用于汽車無(wú)線門禁系統(tǒng)。為了得到最好的增益和噪聲系數(shù)，對(duì)匹配進(jìn)行優(yōu)化，最優(yōu)阻抗匹配電路如圖14和圖15所示。
圖14. MAX2640工作在315MHz時(shí)的評(píng)估板原理圖
MAX2640 低噪聲放大器(LNA)的材料清單
| DESIGNATION | QTY | DESCRIPTION |
| Z1 | 1 | 100nH inductor (0603) Coilcraft 0603CS-R10XJBC |
| C1 | 1 | 1500pF ceramic cap (0603) Murata GRM188R71H152KA01B |
| C2 | 1 | 150pF 5% ceramic cap (0603) MurataGRM1885C1H151JA01 |
| C3 | 1 | 10μF ceramic cap (1206) AVX TAJA106D010R |
| C4 | 1 | 470pF 5% ceramic cap (0805) Murata GRM40COG471J50V |
| C5 | 1 | 2.2pF 5% ceramic cap (0805) Murata GRM40COG022D50V |
| C6 | 1 | 5pF 5% ceramic cap (0805) Murata GRM40COG050D50V |
圖15. 低噪聲放大器(LNA)工作在315MHz時(shí)輸入端與輸出端的匹配網(wǎng)絡(luò)
下面是低噪聲放大器(LNA)增益和三階輸入交調(diào)截取點(diǎn)(IIP3)的測(cè)量環(huán)境的建立(見圖16)。
- 利用標(biāo)準(zhǔn)的雙音互調(diào)對(duì)三階輸入交調(diào)截取點(diǎn)(IIP3)進(jìn)行測(cè)試。
- 將兩個(gè)射頻信號(hào)發(fā)生器通過(guò)一個(gè)功率合成器連接到低噪聲放大器(LNA)的輸入端。
- 設(shè)置第一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器(HP8648B)使其產(chǎn)生314.5MHz的信號(hào)，使第二臺(tái)信號(hào)發(fā)生器(HP8648B)產(chǎn)生315.5MHz的信號(hào)(相距1MHz)，雙音測(cè)量均在-30dBm功率下產(chǎn)生。
- 利用一臺(tái)頻譜分析儀(Agilent 8562EC)來(lái)測(cè)量增益以及低噪聲放大器(LNA)輸出端所需音頻和三階交調(diào)失真之間的差異。
- 我們利用這些測(cè)量結(jié)果以及每一音調(diào)的輸入功率就可以找到低噪聲放大器(LNA)的三階輸入交調(diào)截取點(diǎn)(IIP3)。
圖16. 低噪聲放大器(LNA)增益和三階輸入交調(diào)截取點(diǎn)(IIP3)的測(cè)量裝置
噪聲系數(shù)測(cè)量環(huán)境的建立
利用一臺(tái)噪聲系數(shù)分析儀(Agilent N8973A)和噪聲源(HP346A)進(jìn)行低噪聲放大器(LNA)噪聲系數(shù)的測(cè)試。測(cè)試框圖如下圖17所示。
圖17. 噪聲系數(shù)測(cè)量裝置
附錄：ADS仿真原理圖
圖18. ADS仿真
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論